LTM8002：高效、可靠的降压μModule稳压器

在电子设计领域，电源管理是一个至关重要的环节。一款性能出色的稳压器能够为系统提供稳定的电源，确保设备的正常运行。今天，我们就来深入了解一下凌力尔特（现属ADI）的LTM8002降压μModule稳压器。

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一、产品概述

LTM8002是一款40V输入、2.5A的降压μModule（电源模块）稳压器。它将开关控制器、功率开关、电感器以及所有支持组件集成在一个紧凑的封装中，为用户提供了一个完整的降压开关模式电源解决方案。

1. 主要特性

• 宽输入输出电压范围：输入电压范围为3.4V至40V，输出电压范围为0.97V至18V，能够满足多种应用场景的需求。
• 低噪声Silent Switcher架构：有效降低了电源产生的噪声，提高了系统的稳定性和可靠性。
• 宽温度范围：H级版本可在 -40°C至150°C的温度范围内正常工作，适应各种恶劣环境。
• 高输出电流：在特定条件下，如5V输出、12V输入、2MHz开关频率、105°C环境温度（H级）时，可提供2.8A的连续电流，峰值电流可达3.5A。
• FMEA合规引脚布局：即使相邻引脚短路或引脚浮空，输出电压仍能保持在或低于调节电压，增强了系统的安全性。
• 可选开关频率：开关频率可在200kHz至3MHz之间选择，用户可以根据实际需求进行灵活调整。
• 外部同步功能：支持与外部时钟同步，方便系统的整体设计。
• 低静态电流：5V输出时，静态电流仅为25μA，有助于降低系统功耗。
• 可编程软启动：通过外部电容实现软启动功能，减少启动时的电流冲击。
• 紧凑封装：采用6.25mm × 6.25mm × 2.22mm的BGA封装，体积小巧，适合高密度负载点调节。

2. 应用领域

• 汽车电池调节：为汽车电子设备提供稳定的电源。
• 便携式产品电源：满足便携式设备对电源体积和效率的要求。
• 分布式电源调节：在分布式电源系统中发挥重要作用。
• 工业电源：适用于各种工业设备的电源供应。
• 墙式变压器调节：对墙式变压器输出的电压进行调节。

二、电气特性

1. 输入输出电压

LTM8002的输入电压范围为3.4V至40V，输出电压可通过一个外部电阻在0.97V至18V之间进行编程。不同的输出电压对应不同的电阻值，具体可参考数据手册中的表格。

2. 输出电流

峰值输出直流电流可达3.5A，连续电流则取决于内部工作温度。在实际应用中，需要根据具体的工作条件和散热情况来确定最大负载电流。

3. 静态电流

在不同的工作模式下，LTM8002的静态电流有所不同。例如，当RUN引脚为0V、BIAS引脚为0V、无负载、SYNC引脚为0V且不进行开关操作时，流入VIN的静态电流为3μA；当BIAS引脚为5V、RUN引脚为0V、无负载、SYNC引脚为0V且不进行开关操作时，流入BIAS的静态电流为1μA。

4. 电压调节

LTM8002具有良好的线性调节和负载调节性能。在5.5V < VIN < 36V、IOUT = 1A的条件下，线性调节率为0.5%；在0.1A < IOUT < 2.5A的条件下，负载调节率为0.5%。

5. 开关频率

开关频率可通过连接在RT引脚和地之间的电阻进行编程。不同的电阻值对应不同的开关频率，用户可以根据实际需求选择合适的电阻。

三、典型性能特性

1. 效率

LTM8002在不同的输入电压、输出电压和负载电流下具有不同的效率表现。从数据手册中的典型性能曲线可以看出，在大多数情况下，其效率都能达到较高水平，尤其是在轻负载时，通过自动切换到Burst Mode（突发模式），能够进一步提高效率，降低功耗。

2. 输入与负载电流关系

输入电流与负载电流之间存在一定的关系，具体取决于输入电压、输出电压和开关频率等因素。通过观察典型性能曲线，我们可以了解在不同条件下输入电流随负载电流的变化情况，从而为电源设计提供参考。

3. 降额曲线

降额曲线展示了在不同环境温度下，LTM8002能够提供的最大负载电流。随着环境温度的升高，最大负载电流会逐渐降低。因此，在设计系统时，需要根据实际的工作环境温度来合理选择LTM8002的工作参数，确保其在安全范围内运行。

四、引脚功能

1. GND（银行1，A7）

将这些GND引脚连接到LTM8002下方的局部接地平面以及电路组件。在大多数应用中，LTM8002的大部分热量通过这些引脚散发出去，因此印刷电路板的设计对其热性能有很大影响。

2. VIN（C6，C7）

VIN为LTM8002的内部稳压器和内部功率开关提供电流。这些引脚必须使用外部低ESR电容进行局部旁路，具体电容值可参考数据手册中的推荐值。

3. VOUT（银行2）

功率输出引脚。在这些引脚和GND引脚之间连接输出滤波电容和输出负载。

4. BIAS（引脚F1，F2）

BIAS引脚连接到内部电源总线。应连接到大于3.2V且小于18V的电源。如果VOUT大于3.2V，则将此引脚连接到VOUT；如果输出电压较低，则将其连接到3.2V至18V之间的电压源。如果BIAS的电压源较远，则需要使用至少1μF的电容进行去耦。如果不使用此引脚，则将其连接到GND。

5. RUN（引脚B6，B7）

将RUN引脚拉至0.9V以下可关闭LTM8002；将其连接到1.06V或更高电压可正常工作。如果不使用关机功能，则将此引脚连接到VIN引脚。

6. RT（引脚A5，A6）

RT引脚用于通过连接一个电阻到地来编程LTM8002的开关频率。数据手册的应用信息部分提供了一个表格，可根据所需的开关频率确定电阻值。应尽量减少此引脚的电容，不要驱动此引脚。

7. SYNC（引脚A3，B3）

外部时钟同步输入和操作模式引脚。此引脚可编程四种不同的操作模式：

• Burst Mode：将此引脚连接到地，在低输出负载时进入Burst Mode操作，可实现超低静态电流。
• 脉冲跳过模式：让此引脚浮空，进入脉冲跳过模式。该模式在低输出负载时仍能保持全频率操作，直到出现脉冲跳过。
• 扩频模式：将此引脚拉高至2.9V至4.2V之间，进入带有扩频调制的脉冲跳过模式。
• 同步模式：用时钟源驱动此引脚，与外部频率同步。同步期间，器件将以脉冲跳过模式运行。

8. PG（引脚A2，B2）

PG引脚是内部比较器的开集输出。当FB引脚电压在最终调节电压的约10%范围内时，PG保持低电平。当VIN高于3.4V时，PG信号有效。如果VIN高于3.4V且RUN为低电平，则PG将驱动为低电平。如果不使用此功能，则让此引脚浮空。

9. FB（引脚E1，E2，仅可调版本）

LTM8002将其FB引脚调节到0.97V。从该引脚连接一个调节电阻到地，电阻值RFg由公式RFg = 97 / (VOUT - 0.97)（RFg单位为kΩ）给出。

10. TR/SS（引脚A4，B4）

TR/SS引脚用于提供软启动或跟踪功能。内部2μA上拉电流与连接到该引脚的外部电容相结合，产生一个电压斜坡，输出电压将跟踪该电压。对于跟踪功能，可从被跟踪的输出连接一个电阻分压器到该引脚。在关机和故障条件下，该引脚通过内部MOSFET拉至地；如果从低阻抗输出驱动该引脚，需要使用一个串联电阻。如果不需要跟踪功能，则可让该引脚浮空。

11. NC（引脚B5，C5，D5，D6，D7）

这些引脚未连接到任何其他网络或彼此之间。

五、工作原理

LTM8002是一个独立的非隔离降压开关DC/DC电源，能够提供高达3.5A的电流。它通过一个外部电阻对输出电压进行精确调节，范围从0.97V到18V。输入电压范围为3.4V到40V，在使用时需要确保输入电压足够高，以支持所需的输出电压和负载电流。

1. 内部结构

LTM8002包含一个电流模式控制器、功率开关元件、功率电感器以及适量的输入和输出电容。它是一个固定频率的PWM稳压器，开关频率通过将适当的电阻值从RT引脚连接到GND来设置。

2. 偏置电源

内部稳压器为控制电路提供电源。该偏置稳压器通常从VIN引脚获取电源，但如果BIAS引脚连接到高于2.9V的外部电压，则偏置电源将从外部源（通常是调节后的输出电压）获取，从而提高效率。

3. 关机功能

RUN引脚用于将LTM8002置于关机状态，断开输出并将输入电流降低到几μA。

4. 突发模式

为了提高轻负载时的效率，LTM8002在轻负载或无负载情况下自动切换到Burst Mode操作。在突发之间，与控制输出开关相关的所有电路都被关闭，将输入电源电流降低到仅几μA。

5. 频率折返

当FB引脚的电压较低时，振荡器会降低LTM8002的工作频率。这种频率折返有助于在启动和过载时控制输出电流。

6. 软启动和跟踪功能

TR/SS节点作为误差放大器的辅助输入。FB引脚的电压会跟踪TR/SS引脚的电压，直到TR/SS引脚的电压超过0.97V。通过使用外部电容在TR/SS引脚产生电压斜坡来实现软启动，以减少输入电源的电流冲击。此外，TR/SS引脚还可以通过信号源或电阻网络驱动，实现输出跟踪功能。

7. 电源良好信号

LTM8002包含一个电源良好比较器，当FB引脚的电压在其调节值的约90%至110%之间时触发。PG输出是一个开漏晶体管，当输出处于调节状态时关闭，允许外部电阻将PG引脚拉高。当VIN高于3.4V时，PG信号有效。

8. 热关断

LTM8002配备了热关断功能，在高结温时禁止功率开关。该功能的激活阈值高于最大温度额定值，以避免干扰正常操作。长时间或重复在热关断激活的条件下运行可能会损坏器件或降低其可靠性。

六、应用信息

1. 设计流程

对于大多数应用，设计过程相对简单，可按以下步骤进行：

• 查看数据手册中的表1，找到所需的输入范围和输出电压对应的行。
• 应用推荐的CIN、COUT、RFB等组件值。
• 根据需要应用CFF（从Vout到FB）。
• 按照指示连接BIAS。

需要注意的是，虽然这些组件组合已经过测试，但用户仍需在预期的系统线路、负载和环境条件下验证其正常运行。同时，最大输出电流受结温、输入输出电压大小和极性以及其他因素的限制，可参考典型性能特性部分的图表进行设计。

2. 组件选择

电容选择

表1中给出的CIN和COUT电容值是相关操作条件下的最小推荐值。不建议使用低于表中指示的电容值，否则可能导致不良操作。在必要时，使用更大的电容值通常是可以接受的，并且可以提高动态响应。

陶瓷电容具有体积小、坚固且ESR低的优点，但并非所有陶瓷电容都适合。X5R和X7R类型在温度和施加电压方面具有稳定性，能提供可靠的服务；而Y5V和Z5U等类型的电容具有较大的温度和电压系数，在应用电路中可能只有其标称电容的一小部分，导致输出电压纹波比预期高。

此外，陶瓷电容具有压电特性，在Burst Mode操作中，LTM8002的开关频率取决于负载电流，可能会在音频频率下激发陶瓷电容，产生可听噪声。如果这种可听噪声不可接受，可以在输出端使用高性能电解电容，也可以是陶瓷电容和低成本电解电容的并联组合。

频率选择

LTM8002采用恒定频率PWM架构，可通过将电阻从RT引脚连接到地来编程200kHz至3MHz的开关频率。表2提供了RT电阻值及其对应的频率列表。

在选择频率时，建议用户根据输入和输出操作条件应用表1中给出的最佳RT值。但由于系统级或其他考虑因素，可能需要选择其他操作频率。需要注意的是，随意选择的频率可能会在某些操作或故障条件下导致不良操作。频率过高可能会降低效率、产生过多热量，甚至在输出过载或短路时损坏LTM8002；频率过低可能会导致最终设计的输出纹波过大或输出电容过大。

BIAS引脚考虑

BIAS引脚用于为内部功率开关级提供驱动电源并操作其他内部电路。为了正常工作，它必须由至少2.9V的电源供电。如果输出电压编程为2.9V或更高，则可以将BIAS简单地连接到Vout；如果VOUT小于2.9V，则可以将BIAS连接到VIN或其他电压源。如果BIAS引脚电压过高，LTM8002的效率可能会受到影响。最佳BIAS电压取决于许多因素，如负载电流、输入电压、输出电压和开关频率等。在所有情况下，都要确保BIAS引脚的最大电压小于19V。如果BIAS电源来自远程或嘈杂的电压源，可能需要在该引脚局部应用一个去耦电容，1μF的陶瓷电容效果较好。如果不使用BIAS引脚，则将其连接到LTM8002的GND。

最大负载

LTM8002的额定连续负载为2.5A，但实际能够驱动的最大连续负载取决于内部电流限制和内部温度。内部电流限制旨在防止在过载或短路情况下损坏LTM8002。LTM8002的内部温度取决于环境温度、输出功率和系统的散热能力等操作条件。例如，在环境温度控制在低于85°C的情况下，LTM8002H配置为调节到1.2V时，可从12VIN连续提供3.5A的电流；而当输出电压为18V且环境温度为100°C时，LTM8002H从36VIN最多只能提供0.6A的电流。

负载共享

LTM8002不设计用于负载共享。如果需要更大的负载电流，可以考虑使用LTM8003。

突发模式操作

为了提高轻负载时的效率，LTM8002自动切换到Burst Mode操作。在Burst Mode操作期间，LTM8002向输出电容提供单周期电流脉冲，然后进入睡眠期，此时大部分内部电路断电，负载由输出电容供电。在睡眠期间，VIN和BIAS的静态电流大大降低，随着负载电流向无负载条件下降，LTM8002在睡眠模式下的运行时间百分比增加，平均输入电流大大降低，从而提高了轻负载效率。通过将SYNC引脚连接到GND可以启用Burst Mode操作。

最小输入电压

LTM8002是一个降压转换器，因此需要一定的最小电压裕量来保持输出调节。输入电压应保持在3.4V以上，以确保正常操作。电压瞬变或纹波谷值导致输入电压低于3.4V可能会关闭LTM8002。

输出电压跟踪和软启动

LTM8002允许用户通过TR/SS引脚调整其输出电压斜坡率。内部2μA电流将TR/SS引脚拉高至约2.4V。在TR/SS引脚上放置一个外部电容可以实现输出软启动，以减少输入电源的电流冲击。在软启动斜坡期间，输出电压将成比例地跟踪TR/SS引脚的电压。对于输出跟踪应用，TR/SS引脚可以由另一个电压源外部驱动。从0V到0.97V，TR/SS引脚的电压将覆盖误差放大器的内部0.97V参考输入，从而将FB引脚电压调节到TR/SS引脚的电压。当TR/SS引脚电压高于0.97V时，跟踪功能禁用，反馈电压将调节到内部参考电压。如果不需要该功能，则可以让TR/SS引脚浮空。一个有源下拉电路连接到TR